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不同计算模型的大跨连续钢桁梁桥静力性能研究

2022-05-24郑德馨

交通科技与管理 2022年9期

摘要 文章以某公铁两用连续钢桁梁桥为研究对象,采用不同计算模型进行理论分析和现场试验相结合的方法,进行主桥成桥静力性能试验研究。采用迈达斯建立连续钢桁梁桥不同有限元模型,分别为平面杆件单元模型、平面梁单元模型、空间杆件单元模型、空间梁单元模型,通过分析,得到了车辆荷载作用下的应力测试截面,确定了静载试验测试内容及试验测点布置位置。对不同计算模型的计算值和现场采集数据结果进行综合对比分析。

关键词 连续钢桁梁桥;平面杆件单元;平面梁单元;空间杆件单元;空间梁单元

中图分类号 U441 文献标识码 A 文章编号 2096-8949(2022)09-0178-03

引言

钢桁架是钢桁梁桥的主要受力结构,钢桁架结构主要承受汽车、火车等外力产生的弯矩和剪力的作用。钢桁梁桥具有刚度大、重量小、组装快捷、用钢量少、外形美观等优点。钢桁梁桥在公铁两用桥梁以及跨度大的铁路桥梁中应用广泛。近年来,钢桁梁桥的设计跨径逐年增大,钢桁梁桥的结构形式也越来越多样化,钢桁梁桥的承受外力作用也变得更加复杂[1]。李佳璐、李运生、邓蓉、孔令宗、徐新利等对铁路钢桁梁桥进行了大量的理论分析及荷载试验的研究分析[2-6];但针对不同计算模型对钢桁梁桥的受力性能研究却很少见。该文以某公铁两用大桥为研究对象,分别采用平面杆件单元、平面梁单元、空间杆件单元和空间梁单元建立四种计算模型,对主要控制截面处主桁杆件轴力和下弦杆节点位移进行理论分析并结合现场静动载试验数据,对四种计算模型进行科学评价[7-11]分析。

1 工程概况

某公铁两用桥结构形式为(120+3×180+120)m五孔平弦连续钢桁梁,边跨跨度为120 m,中跨跨度为180 m,桥梁总长782 m,公路、铁路分两层布置,上层为公路,下层为铁路;钢桁梁上下两层高度为18 m,桁架结构宽度为11 m,桁架节段长度为10 m。采用拼接形式进行组装,铁路桥的桥面系是采用纵横梁体系明桥面,50 kg标准轨,桁内线路两侧设置人工走道;主桥公路面宽19.5 m,双向四车道,桥面系由纵梁、横梁及托架组成,其上设置钢筋混凝土桥面板。主桥3号墩设铰轴固定支座,其余为滑板活动支座。

2 计算分析

2.1 计算模型

2.1.1 平面杆件单元模型

采用迈达斯/Civil 2021建立连续钢桁梁桥平面杆系有限元模型,桁架结构的上下弦杆、斜竖杆建立桁架单元模型。整桥模型共有158个节点,桁架单元313个。

2.1.2 平面梁单元模型

采用迈达斯/Civil 2021建立连续钢桁梁桥平面梁单元有限元模型,桁架结构的上下弦杆、斜竖杆建立梁单元模型。整桥模型共有198个节点,桁架梁单元353个,有限元模型见图1。

2.1.3 空间杆件单元模型

采用迈达斯/Civil 2021建立连续钢桁梁桥空间杆件单元有限元模型,桁架结构的上下弦杆、斜竖杆建立杆件单元模型,纵横梁建立梁单元模型,桥面混凝土面板建立板单元模型。整桥模型共有5 017个节点,8 771个单元,其中桁架单元706个,混凝土板单元693个,桁架梁单元7 372个。

2.1.4 空间梁单元模型

采用迈达斯/Civil 2021建立连续钢桁梁桥空间梁单元有限元模型,桁架结构的上下弦杆、斜竖杆建立杆件纵横梁梁建立梁单元模型,桥面混凝土面板建立板单元模型。整桥模型共有5 017个节点,8 771个单元,其中混凝土板单元693个,桁架梁单元8 078个。

2.2 计算分析

钢桁梁主桁包括上弦杆、下弦杆、竖杆、斜杆众多杆件,同时桥面系由纵、横梁和桥面板组成,对哪些杆件及部位进行测试是计算分析的重点。由于现场试验仅对公路部分进行了荷载试验检测。为了便于不同计算模型对比分析,因此进行汽车-超20作用下的杆件应力及结构整体变形计算分析,分析云图以空间梁单元为例,桥跨结构整体变形如图2所示。

经过对四种模型综合计算分析得到如下结论:

(1)汽车-超20荷载作用下主桁应变控制截面包括第一跨跨中截面(A截面)、第二跨跨中截面(B截面)、第三跨跨中截面(C截面)、2号墩顶截面(D截面)。

(2)主桁下弦跨中节点挠度较大,该次测试应对主桁下弦节点挠度进行测试。

3 现场试验

3.1 现场测试方法

(1)应力(应变)测试的测试方法。主桥钢梁应力控制杆件采用在钢梁表面粘贴振弦应变计的方法,在每一测点钢梁表面粘贴四个应变计,并配备应力(应变)数据采集分析系统进行测量分析。

(2)挠度测试。主桥挠度测试截面的挠度采集采用多点动态位移检测系统进行采集。

3.2 测点布置

現场主桁应变控制截面测点共计布设72个,主桁挠度测点共计布设6个,测点布置部位如图3所示。

3.3 试验过程控制

(1)在试验正式开始前,用标准载重加载车对将要进行测试的桥跨结构的测试截面进行一级加载的预压加载,预压加载试验每一截面的停留时间不少于20 min。静载试验前的预压加载主要是使较长时间不受外力作用的桥跨结构进入正常受力状态,再就是检查挠度、应变测试点位的数据是否显示正常,仪器设备采集是否正常工作。

(2)预压加载完成后,车辆退出桥面以外,并等待桥跨结构恢复到稳定状态,方可进行正式的静载试验加载。正式的静载试验必须按照前期确定的加载方案逐跨进行试验加载,每完成一个工况的试验,要等桥跨结构恢复到不受力稳定状态,方可进行下一工况的加载,以免影响测试数据的异常。桥跨结构不受力状态的稳定情况判断方式为各测点在不受力状态后数据变化量很小,即最后的1 min测点数据的变化量小于上一个1 min测点数据的变化量。

(3)对于在外观检查时发现存在有裂缝的位置,在静载试验加载的前、中、后应对裂缝宽度和长度作相应记录,在外观检查时没有发现裂缝的桥梁,在静载试验加载中、加载后观察梁体是否产生新增裂缝,并作相应记录。

3.4 静力试验规则

(1)静载试验的实施时间应该选择在空气温度上下浮动小于2 ℃和桥梁梁体温度变化较稳定的时候试验。静载试验在采集测点位置挠度、应变数据的同时,还要时刻监测所处环境的地面温度变化情况。

(2)静载试验每一级的加载控制时间,主要取决于测点数据变化达到规范要求的变化范围内,只有测点数据变化值达到相对稳定,才可以进入下一级的试验加载。

(3)在正式静载试验加载应对前全部测点进行试验前初读数,以后每一级加载完成并数值相对稳定后才可进行下一级加载

4 结果分析

4.1 应力结果分析

根据上述四种计算模型以及现场实测数据,对不同控制截面下各主要杆件的最大应变进行分析,分析结果见表1。由表1可知:

(1)空间杆件单元计算模型各控制截面杆件轴向应变最大,空间模型可以体现应力在横桥向的分配。

(2)两空间计算模型相比,上弦杆比下弦杆承受的力要小,这是由桥面板分担部分受力所致;在偏载加载工况下,空间杆件计算理论值横向分配系数更大,空间杆件主桁较小理论应变是空间梁单元较小理论应变的50%左右。

(3)两平面计算模型相比,主桁上下弦杆受力相差较小。

(4)现场实测数据与空间梁单元模型计算出的理论值比较接近,这说明采用空间梁单元模型比较符合工程实际状况。

4.2 挠度结果分析

根据上述四种计算模型以及现场实测数据,对不同控制截面下各主要杆件的最大挠度进行分析,分析结果见表2。由表2可知:钢桁梁节点挠度实测值均小于理论计算值。

由表2可得出如下结果:

(1)空间杆件单元模型理论挠度值最大。

(2)两平面计算模型相比,钢桁梁节点挠度相差较小,这表明钢桁梁用平面模型计算分析,采用杆件单元或梁单元都能得到较理想的结果。

(3)现场实测挠度与空间梁单元模型计算出的理论值比较接近,这说明采用空间梁单元模型比较符合工程实际状况。

5 结论

针对四种不同计算模型理论分析和现场静载性能试验研究,主要结论如下:

(1)通过有限元建模分析,得到了汽车-超20荷载作用下的应力测试截面,确定了荷载试验测试内容及试验测点布置位置,给出了测试杆件应力、关键节点挠度的理论计算值;

(2)四种理论计算模型中,两平面模型计算出的理论值比较接近,可以采用平面梁单元的建模方式和平面杆件单元的建模方式,均能得到较理想的理论值,但平面单元计算出的理论值偏大,相对现场检测而言相对不利。

(3)两空间模型计算出的理论值相差较大,相比较而言空间梁单元模型比较结合实际,在实际的建模计算过程中,建议利用空间梁单元的建模方式。

(4)现场实测数据与空间梁单元模型计算出的理论值比较接近,这说明采用空间梁单元模型比较符合工程实际状况。

参考文献

[1]戴新安. 非对称变高度连续钢桁梁桥受力性能研究[J]. 武汉理工大学学报, 2019(8): 774-778.

[2]李佳璐. 钢桁梁柔性拱桥静动力以及稳定性分析[D]. 西安: 长安大学. 2016.

[3]李运生, 刁云峰. 铁路钢桁梁桥在重载列车下的受力适应性分析. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2016(4): 1-7.

[4]邓蓉. 铁路钢桁梁桥结构校验系数研究[J]. 铁道建筑, 2017(5): 1-6.

[5]孔令宗. 下承式简支钢桁梁桥加固及检测试验研究[J]. 铁道建筑, 2019(8): 54-56.

[6]徐新利. 重载运输条件下铁路下承式钢桁梁力学行为分析[J]. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2015(1): 45-53.

[7]孟令强. 大跨度简支拱形钢桁梁桥静动力性能试验研究[J]. 铁道建筑, 2021(3): 14-18.

[8]蘭晓峰, 刘鹏辉, 周政. 大准线黄河特大桥(96+132+96)m钢桁梁检定试验研究[J]. 铁道建筑, 2018(4): 10-14.

[9]武勇. 武汉天兴洲公铁两用长江大桥主桥荷载验收试验研究[J]. 桥梁建设, 2010(1): 11-16

[10]苏力. 刚性悬索加劲连续钢桁梁受力特性成桥试验研究[J]. 铁道建筑, 2020(7): 1-5

[11]刘国华. 钢桁架桥防腐涂层寿命预测研究[J]. 黑龙江科技信息, 2017(10): 259-261.

收稿日期:2022-03-29

作者简介:郑德馨(1986—),男,本科,中级工程师,研究方向:道路桥梁检测及技术研发。